JP2010171874A - 超伝導チューナブルフィルタ装置、非線形歪測定装置、非線形歪測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】超伝導チューナブルフィルタ装置を、バンドリジェクション型の超伝導フィルタ11と、超伝導フィルタ11をチューニングするためのロッド13又はプレート14と、超伝導フィルタ11に対するロッド13又はプレート14の位置を調整するための位置調整手段15とを備えるものとする。
【選択図】図1
Description
特に、無線基地局の送信系において、隣接チャネルへの漏洩電力は電波法で厳しく制限されている。このため、非線形歪の小さい通信機器の要望が益々増大している。
ところで、高周波デバイスや高周波部品などのサンプル(被測定物)の非線形歪を測定する方法として、いわゆる2−tone法を用いることが考えられる。
しかしながら、アッテネータを設けると、基本波信号とともにIMD信号も減衰してしまうことになる。場合によっては、IMD信号はスペクトラムアナライザのノイズレベルになってしまい、IMD信号を高精度に測定することが困難である。特に、受動相互変調歪(PIM;Passive Inter Modulation)などの僅かな歪成分を高精度に測定するのは難しい。
なお、超伝導フィルタを用いる場合に、超伝導フィルタで発生する相互変調歪を補償すべく、超伝導フィルタで発生すると予想される相互変調歪の逆特性の歪信号を、超伝導フィルタから出力される信号に合成するようにした歪補償回路もある。
また、通信機器は、半導体パワーアンプやケーブルといった非線形歪レベルが異なる部品で構成されている。このため、より低歪化を図ったり、歪要因を分離したりするために、歪成分を高精度かつ高ダイナミックに測定できるようにすることが不可欠である。
そこで、簡便な構成で、広い周波数領域において、高精度かつ高ダイナミックに非線形歪を測定できるようにしたい。
本超伝導チューナブルフィルタ装置は、バンドリジェクション型の超伝導フィルタと、超伝導フィルタをチューニングするためのプレートと、超伝導フィルタに対するプレートの位置を調整するためのプレート用位置調整手段とを備えることを要件とする。
本実施形態にかかる非線形歪測定装置は、例えば移動通信システムにおける高度な電波の共同利用に向けた要素技術としての超伝導チューナブルフィルタ装置を備える非線形歪測定装置である。
本非線形歪測定装置は、サンプル50から出力される基本信号及びサンプルの非線形性によって生じる相互変調歪信号のうち基本信号のみを減衰させる超伝導チューナブルフィルタ装置1を備える。つまり、本非線形歪測定装置は、従来の非線形歪測定装置において用いられていたアッテネータの代わりに超伝導チューナブルフィルタ装置1を備える。
特に、本実施形態では、サンプル50に応じて第1信号源2及び第2信号源3から出力される2つの基本信号の周波数を設定し、2つの基本信号の周波数に応じて、超伝導チューナブルフィルタ装置1のチューニングを行なうことができるようになっている。
ここで、超伝導チューナブルフィルタ装置1のフィルタ特性の中心周波数とは、フィルタ特性の2つのリジェクト帯域の中間位置における周波数である。つまり、フィルタ特性の中心周波数とは、2つのリジェクト帯域のピークの平均周波数である。また、超伝導チューナブルフィルタ装置1のフィルタ特性のリジェクト帯域幅とは、2つのリジェクト帯域の間隔(ピーク間距離)である。つまり、フィルタ特性のリジェクト帯域幅とは、2つのリジェクト帯域のピークの周波数差である。
第2信号源3は、周波数f2の基本信号を出力する信号源である。
第1パワーアンプ4は、第1信号源2に接続されており、周波数f1の基本信号を増幅するパワーアンプである。
第2パワーアンプ5は、第2信号源3に接続されており、周波数f2の基本信号を増幅するパワーアンプである。
第2アイソレータ7は、第2パワーアンプ5と3dBカプラ8との間に設けられている。
第3アイソレータ9は、3dBカプラ8の後段、即ち、3dBカプラ8とサンプル50との間に設けられている。
本非線形歪測定装置は、上述のように構成されるため、第1信号源2及び第2信号源3から出力された、異なる周波数f1,f2の2つの基本信号は、第1パワーアンプ4及び第2パワーアンプ5でそれぞれ増幅され、3dBカプラ8によって結合され、等しいレベルでサンプル50に入力される。
そして、2つの相互変調歪信号を、スペクトラムアナライザ10を用いて測定する。これにより、サンプル50の非線形歪を測定する。
以下、本実施形態にかかる超伝導チューナブルフィルタ装置について、図1を参照しながら説明する。
ここでは、チューナブル構造12として、超伝導フィルタ11をチューニングするためのロッド13及びプレート14と、超伝導フィルタ11に対するロッド13の位置及び超伝導フィルタ11に対するプレート14の位置を調整するための位置調整手段15とを備える。
本実施形態では、超伝導フィルタ11は、図1〜図3に示すように、誘電体基板16と、誘電体基板16の表面に超伝導材料によって形成された共振器パターン17及び入出力フィーダ18と、誘電体基板16の裏面に超伝導材料によって形成され、開口部(スロット)19Aを有するグランド層19とを備える。なお、この超伝導フィルタ11を、フィルタ基板、ディスク共振器ともいう。
なお、誘電体基板16は、MgO基板(MgO単結晶基板)に限定されるものではなく、例えば、LaAlO3基板、サファイア基板などを用いても良い。
また、共振器パターン17、入出力フィーダ18及びグランド層19は、YBCO(Y−Ba−Cu−O)系超伝導材料を用いた薄膜(YBCO薄膜)によって形成されている。
また、良好な耐電力性が得られ、超伝導フィルタ自身からの歪成分を極力小さくするために、共振器パターン17としてディスクパターン(ディスク構造;2次元回路パターン)を採用している。ディスクパターン17は、入出力フィーダ18によって導かれる信号が結合する位置に設けられる。但し、ディスクパターン17は、入出力フィーダ18に接しないように形成する。なお、共振器パターン17としてディスクパターンを有する超伝導フィルタ11を、ディスク型フィルタ(平面回路型フィルタ)という。
また、図3(B)に示すように、グランド層19に開口部19Aを設けることによって、1つのディスク共振器で2つのリジェクト帯域(ノッチ)を有するリジェクトフィルタ(ノッチフィルタ)を構成している(図4参照)。つまり、グランド層19に形成された開口部19Aは、2つのリジェクト帯域を有するフィルタ特性を形成するための開口部である。ここで、グランド層19の開口部19Aは、入出力フィーダ18を構成する2つの導線に対して45度の位置で、かつ、ディスクパターン17の外周の入出力フィーダ18から遠い位置に対応する位置に設けるのが好ましい。
この場合、超伝導フィルタ11のフィルタ特性のリジェクト帯域幅は、グランド層19に設ける開口部19Aの大きさ(ここでは円形スロットであるため、直径)によって決まる。
また、例えば、グランド層19に設ける開口部19Aを、ディスクパターン17の外周に対応する位置よりも内側に位置させることで、リジェクト帯域幅を広くすることができる。一方、グランド層19に設ける開口部19Aを、ディスクパターン17の外周に対応する位置よりも外側に位置させることで、リジェクト帯域幅を狭くすることができる。
例えば、2つの基本信号の周波数f1,f2が5GHz付近の場合、超伝導フィルタ11のフィルタ特性の中心周波数が5GHz付近になり、かつ、一の基本信号の周波数f1を含む帯域及び他の基本信号の周波数f2を含む帯域の2つの帯域で共振するように、ディスクパターンの直径、及び、グランド層19に設ける開口部19Aの大きさを設定すれば良い。
例えば、RBCO(R−Ba−Cu−O)系超伝導材料、即ち、R元素としてY(イットリウム)に代えて、Nd、Sm、Gd、Dy、Hoを用いたRBCO系超伝導材料(高温超伝導材料)を用いても良い。また、BSCCO(Bi−Sr−Ca−Cu−O)系超伝導材料、PBSCCO(Pb−Bi−Sr−Ca−Cu−O)系超伝導材料、CBCCO(Cu−Bap−Caq−Cur−Ox、1.5<p<2.5、2.5<q<3.5、3.5<r<4.5)系超伝導材料などの他の酸化物超伝導材料(高温超伝導材料)を用いても良い。さらに、Nb、NbN化合物などの超伝導材料(高温超伝導体材料)を用いても良い。
さらに、プレート14は、超伝導フィルタ11のフィルタ特性の中心周波数をチューニングするためのチューニングプレートである。プレート14の形状は、円形にするのが好ましい。
なお、ロッド13及びプレート14の材料は、これに限られるものではない。例えば、MgO、LaAlO3、NdGaO3、LSAT、LaSrGaO4、LaGaO3、YSZ、TiO2などの誘電体材料を用いても良い。また、例えばYIGなどの磁性体材料を用いても良い。
ここで、ロッド用位置調整手段15Aは、ロッド13に接続されたロッド調整トリマ20(微調整用可変素子)と、ロッド調整トリマ20を制御するためのロッド用制御手段21(例えば直線導入メカ制御機構)とを備える。
ここでは、ロッド用位置調整手段15Aは、グランド層19に設けられた開口部19Aの大きさが調整されるようにロッド13の位置を調整するようになっている。つまり、ロッド用位置調整手段15Aは、超伝導フィルタ11のグランド層19に設けられた開口部19Aに対するロッド13の位置を調整するようになっている。なお、ロッド用制御手段21は、ドライバ回路や制御回路を含む。
そして、プレート用位置調整手段15Bは、プレート用制御手段23によってプレート調整トリマ22を制御して、プレート14の位置を調整するようになっている。
この冷却装置28は、超伝導フィルタ11の超伝導状態を出現させるために、超伝導フィルタ11を冷却するためのものである。冷凍装置28としては、例えばヘリウムガス循環型小型冷凍装置を用いれば良い。なお、冷却装置28は窒素を冷媒として用いるものであっても良い。
ここでは、パッケージ24は、図5に示すように、入力用コネクタ29が前方に位置し、出力用コネクタ30が上方に位置するように、冷却ステージ26上に搭載される。また、入力用コネクタ29及び出力用コネクタ30は、図1に示すように、それぞれ、超伝導フィルタ11の入出力フィーダ18に接続されている。
ここでは、真空容器25の上面に出力用ハーメチックコネクタ32が設けられており、真空容器25の側面に入力用ハーメチックコネクタ31が設けられている。また、入力用ハーメチックコネクタ31は、サンプル50に接続されており、出力用ハーメチックコネクタ32は、スペクラムアナライザ10に接続されている。
そして、サンプル50からの出力信号(基本信号及び相互変調歪信号を含む)が、入力用ハーメチックコネクタ31、同軸ケーブル33及び入力用コネクタ29を介して、パッケージ24内の超伝導フィルタ11に入力されるようになっている。また、超伝導フィルタ11によって、サンプル50からの出力信号の中の基本信号のみが減衰させられ、出力用コネクタ30、同軸ケーブル34及び出力用ハーメチックコネクタ32を介して、スペクトラムアナライザ10へ出力されるようになっている。
ここでは、パッケージ24は、図5に示すように、ロッド用開口部24Aが設けられた一の側面及びロッド用開口部24Aに設けられたロッド13が側方に位置するように、冷却ステージ26上に搭載される。
また、ロッド13に接続されたロッド調整トリマ20は、図5に示すように、パッケージ24の外側に位置し、例えば熱伝導率が比較的低い棒35などを介して、真空容器25外に設けられているロッド用制御手段21(例えば直線導入メカ制御機構)に接続されている。
ここでは、パッケージ24は、図5に示すように、プレート用開口部24Bが設けられた他の側面及びプレート用開口部24Bに設けられたプレート調整トリマ22が側方に位置するように、冷却ステージ26上に搭載される。
ここで、超伝導フィルタ11のフィルタ特性の中心周波数は、超伝導の低損失性を生かすために、3〜6GHzの範囲内とするのが望ましい。また、チューナブル範囲はオクターブまでは可能であるが、10%程度(例えば、中心周波数が5GHzの場合、可変量500MHzまでが実現しやすい。
なお、ここでは、位置調整手段15(15A,15B)の一部分を真空容器25内に設け、位置調整手段15(15A,15B)の残りの部分(特に制御手段21,23)を真空容器25外に設けているが、これに限られるものではない。例えば位置調整手段15(15A,15B)の全てを真空容器25内に設けても良い。
なお、上述の実施形態では、ロッド13をロッド調整トリマ20に接続し、ロッド用制御手段21によってロッド調整トリマ20を制御して、ロッド13の位置を調整するようにしているが、これに限られるものではない。
例えば、プレート14を、プレート調整ピエゾ素子又はプレート調整MEMS素子に接続し、プレート用制御手段によってプレート調整トリマ又はプレート調整MEMS素子を制御して、プレート14の位置を調整するようにしても良い。つまり、プレート用位置調整手段を、プレート14に接続されたプレート調整トリマ、プレート調整ピエゾ素子、プレート調整MEMS素子のいずれか一つと、プレート調整トリマ、プレート調整ピエゾ素子、プレート調整MEMS素子のいずれか一つを制御するためのプレート用制御手段とを備えるものとすれば良い。なお、プレート調整ピエゾ素子を用いる場合、プレート用制御手段は、ピエゾアクチュエータを含む。
例えば、図7(A)に示すように、超伝導フィルタ11の共振器パターンとして、共振器を構成する2つのラインパターン37,38を用いても良い。この場合、誘電体基板40の表面に2つのラインパターン37,38(共振器)を隣接して配置すれば良く、ここでは、所定の間隔をあけて平行に配置するようにしている。
この場合、2つのラインパターン37,38の一端側に、2つのラインパターン37,38に直交する方向へ延びるように、入出力フィーダ39を形成すれば良い。入出力フィーダ39は、誘電体基板40の表面にその一端から他端まで延びる直線状の導線として形成すれば良い。
また、図7(B)に示すように、誘電体基板40の裏面に形成されるグランド層41に設ける開口部41A(ここでは円形スロット)は、2つのラインパターン37,38の間に設けられたスペースに対応する位置に設ければ良い。
また、超伝導フィルタ自身からの歪成分を極力小さくするためには、それぞれのラインパターン37,38の幅を太くすれば良い。
そして、例えば、2つのディスクパターン42,43の直径を調整することで、フィルタ特性の中心周波数を任意に設定することができる。
また、例えば、グランド層46に設ける開口部46Aを、2つのディスクパターン42,43の中心から遠ざけることで、フィルタ特性のリジェクト帯域幅を狭くすることができる。つまり、2つのディスクパターン42,43の中心を結ぶ線の中間位置に対応する位置に設けられている開口部46Aを、その線に直交する方向へ移動させることで、フィルタ特性のリジェクト帯域幅を狭くすることができる。要するに、グランド層46に設ける開口部46Aを、2つのディスクパターン42,43の中心から遠ざけたり、2つのディスクパターン42,43の中心に近づけたりすることで、リジェクト帯域幅を狭くしたり、広くしたりすることができる。
つまり、例えば、図9に示すように、超伝導フィルタ11を、導波管47と、フィルタ特性のリジェクト帯域幅をチューニングするために用いられる帯域幅調整用穴48A及びフィルタ特性の中心周波数をチューニングするために用いられる中心周波数調整用穴48Bを有するキャビティ48とを備えるものとして構成しても良い。
そして、位置調整手段が、帯域幅調整用穴48Aの大きさが調整されるように帯域幅調整用ロッドの位置を調整するととともに、中心周波数調整用穴48Bの大きさが調整されるように中心周波数調整用ロッドの位置を調整するようにすれば良い。
なお、本発明は、上述した実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
以下、上述の実施形態及び変形例に関し、更に、付記を開示する。
バンドリジェクション型の超伝導フィルタと、
前記超伝導フィルタをチューニングするためのロッドと、
前記超伝導フィルタに対する前記ロッドの位置を調整するためのロッド用位置調整手段とを備えることを特徴とする超伝導チューナブルフィルタ装置。
バンドリジェクション型の超伝導フィルタと、
前記超伝導フィルタをチューニングするためのプレートと、
前記超伝導フィルタに対する前記プレートの位置を調整するためのプレート用位置調整手段とを備えることを特徴とする超伝導チューナブルフィルタ装置。
前記超伝導フィルタは、誘電体基板と、前記誘電体基板の表面に超伝導材料によって形成された共振器パターン及び入出力フィーダと、前記誘電体基板の裏面に超伝導材料によって形成され、2つのリジェクト帯域を有するフィルタ特性を形成するための開口部を有するグランド層とを備えることを特徴とする、付記1又は2記載の超伝導チューナブルフィルタ装置。
前記超伝導フィルタのフィルタ特性の中心周波数をチューニングするためのプレートと、
前記共振器パターンに対する前記プレートの位置を調整するためのプレート用位置調整手段とを備え、
前記ロッドは、前記超伝導フィルタのフィルタ特性のリジェクト帯域幅をチューニングするためのロッドであり、
前記ロッド用位置調整手段は、前記開口部の大きさが調整されるように前記ロッドの位置を調整することを特徴とする、付記1又は3記載の超伝導チューナブルフィルタ装置。
前記超伝導フィルタが、導波管と、フィルタ特性のリジェクト帯域幅をチューニングするために用いられる帯域幅調整用穴及びフィルタ特性の中心周波数をチューニングするために用いられる中心周波数調整用穴を有するキャビティとを備え、
前記ロッドは、前記超伝導フィルタのフィルタ特性のリジェクト帯域幅をチューニングするための帯域幅調整用ロッド、及び、前記超伝導フィルタのフィルタ特性の中心周波数をチューニングするための中心周波数調整用ロッドであり、
前記ロッド用位置調整手段は、前記帯域幅調整用穴の大きさが調整されるように前記帯域幅調整用ロッドの位置を調整するととともに、前記中心周波数調整用穴の大きさが調整されるように前記中心周波数調整用ロッドの位置を調整することを特徴とする、付記1又は3記載の超伝導チューナブルフィルタ装置。
前記超伝導フィルタを冷却するための冷却装置を備え、
前記超伝導フィルタは、真空容器内に搭載されていることを特徴とする、付記1〜5のいずれか1項に記載の超伝導チューナブルフィルタ装置。
(付記7)
前記ロッド用位置調整手段は、前記ロッドに接続されたロッド調整トリマ、ロッド調整ピエゾ素子、ロッド調整MEMS素子のいずれか一つと、前記ロッド調整トリマ、前記ロッド調整ピエゾ素子、前記ロッド調整MEMS素子のいずれか一つを制御するためのロッド用制御手段とを備えることを特徴とする、付記1、3〜6のいずれか1項に記載の超伝導チューナブルフィルタ装置。
前記プレート用位置調整手段は、前記プレートに接続されたプレート調整トリマ、プレート調整ピエゾ素子、プレート調整MEMS素子のいずれか一つと、前記プレート調整トリマ、前記プレート調整ピエゾ素子、前記プレート調整MEMS素子のいずれか一つを制御するためのプレート用制御手段とを備えることを特徴とする、付記2、4、6のいずれか1項に記載の超伝導チューナブルフィルタ装置。
異なる周波数の2つの基本信号をサンプルに入力し、前記サンプルの非線形性によって生じる相互変調歪信号を測定する非線形歪測定装置であって、
前記サンプルから出力される前記基本信号及び前記サンプルの非線形性によって生じる相互変調歪信号のうち前記基本信号のみを減衰させる超伝導チューナブルフィルタ装置を備え、
前記超伝導チューナブルフィルタ装置が、
バンドリジェクション型の超伝導フィルタと、
前記超伝導フィルタをチューニングするためのロッドと、
前記超伝導フィルタに対する前記ロッドの位置を調整するためのロッド用位置調整手段とを備えることを特徴とする非線形歪測定装置。
異なる周波数の2つの基本信号をサンプルに入力し、
前記サンプルから出力される前記基本信号及び前記サンプルの非線形性によって生じる相互変調歪信号のうち前記基本信号のみを超伝導チューナブルフィルタ装置によって減衰させ、
前記相互変調歪信号を測定する非線形歪測定方法であって、
前記サンプルに応じて2つの基本信号の周波数を設定し、
前記2つの基本信号の周波数に応じて、前記超伝導チューナブルフィルタ装置のフィルタ特性の中心周波数及びリジェクト帯域幅を調整することを特徴とする非線形歪測定方法。
2 第1信号源
3 第2信号源
4 第1パワーアンプ
5 第2パワーアンプ
6 第1アイソレータ
7 第2アイソレータ
8 3dBカプラ
9 第3アイソレータ
10 スペクトラムアナライザ
11 バンドリジェクション型の超伝導フィルタ
12 チューナブル構造
13 ロッド
14 プレート
15 位置調整手段
15A ロッド用位置調整手段
15B プレート用位置調整手段
16 誘電体基板
17 共振器パターン
18 入出力フィーダ
19 グランド層
19A 開口部(スロット)
20 ロッド調整トリマ
21 ロッド用制御手段
22 プレート調整トリマ
23 プレート用制御手段
24 パッケージ
24A ロッド用開口部
24B プレート用開口部
25 真空容器
26 冷却ステージ
27 冷凍機
28 冷却装置
29 入力用コネクタ
30 出力用コネクタ
31 入力用ハーメチックコネクタ
32 出力用ハーメチックコネクタ
33,34 同軸ケーブル
35,36 熱伝導率が比較的低い棒
37,38 ラインパターン
39 入出力フィーダ
40 誘電体基板
41 グランド層
41A 開口部(スロット)
42,43 ディスクパターン
44 入出力フィーダ
45 誘電体基板
46 グランド層
46A 開口部(スロット)
47 導波管
48 キャビティ
48A 帯域幅調整用穴
48B 中心周波数調整用穴
50 サンプル
Claims (5)
- バンドリジェクション型の超伝導フィルタと、
前記超伝導フィルタをチューニングするためのロッドと、
前記超伝導フィルタに対する前記ロッドの位置を調整するためのロッド用位置調整手段とを備えることを特徴とする超伝導チューナブルフィルタ装置。 - バンドリジェクション型の超伝導フィルタと、
前記超伝導フィルタをチューニングするためのプレートと、
前記超伝導フィルタに対する前記プレートの位置を調整するためのプレート用位置調整手段とを備えることを特徴とする超伝導チューナブルフィルタ装置。 - 前記超伝導フィルタは、誘電体基板と、前記誘電体基板の表面に超伝導材料によって形成された共振器パターン及び入出力フィーダと、前記誘電体基板の裏面に超伝導材料によって形成され、2つのリジェクト帯域を有するフィルタ特性を形成するための開口部を有するグランド層とを備えることを特徴とする、請求項1又は2記載の超伝導チューナブルフィルタ装置。
- 異なる周波数の2つの基本信号をサンプルに入力し、前記サンプルの非線形性によって生じる相互変調歪信号を測定する非線形歪測定装置であって、
前記サンプルから出力される前記基本信号及び前記サンプルの非線形性によって生じる相互変調歪信号のうち前記基本信号のみを減衰させる超伝導チューナブルフィルタ装置を備え、
前記超伝導チューナブルフィルタ装置が、
バンドリジェクション型の超伝導フィルタと、
前記超伝導フィルタをチューニングするためのロッドと、
前記超伝導フィルタに対する前記ロッドの位置を調整するためのロッド用位置調整手段とを備えることを特徴とする非線形歪測定装置。 - 異なる周波数の2つの基本信号をサンプルに入力し、
前記サンプルから出力される前記基本信号及び前記サンプルの非線形性によって生じる相互変調歪信号のうち前記基本信号のみを超伝導チューナブルフィルタ装置によって減衰させ、
前記相互変調歪信号を測定する非線形歪測定方法であって、
前記サンプルに応じて2つの基本信号の周波数を設定し、
前記2つの基本信号の周波数に応じて、前記超伝導チューナブルフィルタ装置のフィルタ特性の中心周波数及びリジェクト帯域幅を調整することを特徴とする非線形歪測定方法。
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